基于CityEngine的三維虛擬校園研究

摘 要：我們基于CityEngine的三維設計平臺，以貴州大學北校區(qū)和新校區(qū)為例，利用全站儀采集的校園地形數(shù)據(jù)，嘗試利用CityEngine對校園進行三維建模、與ArcGIS完美的結合，大大提高三維建模的效率[4]，為用戶提供在線瀏覽的三維虛擬校園。

關鍵詞：CityEngine ArcGIS；三維建模；虛擬校園

0 引言

隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字中國”以及“數(shù)字城市”等概念的提出、研究和逐步實現(xiàn)，“數(shù)字校園”成為大高校的研究熱點之一[2]，旨在將三維可視化技術，虛擬現(xiàn)實技術深入應用到校園領域。三維虛擬數(shù)字校園是數(shù)字化校園的基礎，能夠實現(xiàn)對校園設施的有效管理和資源合理配置，提高學校的辦事效率，為教育教學管理、學校對位宣傳等提供了一個智能化平臺[3]。

三維建模技術是將空間地理數(shù)據(jù)從二維形式變換為以三維立體的形式顯示，而三維建模技術是建立虛擬現(xiàn)實世界的基礎，通過建立三維模型，將設計圖底圖三維化，直觀形象的展示規(guī)劃場景，較真實的反映現(xiàn)實世界。作為初次嘗試，我們僅實現(xiàn)三維立體的校園展示。

1 開發(fā)平臺的選取以及系統(tǒng)設計流程

模型的建立是基于CityEngine結合ArcGIS以及autoCAD 2010，以C#為編程語言為設計的三維數(shù)字校園系統(tǒng)。從數(shù)據(jù)采集、處理、系統(tǒng)、設計到開發(fā)的步驟層層推進，處理階段及實現(xiàn)的功能如下：

（1）數(shù)據(jù)的采集：Google衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、校園實景信息。

（2）數(shù)據(jù)處理：AutoCAD，Photoshop處理 CityEngine建模階段：將CAD地形數(shù)據(jù)轉換ShapeFile格式數(shù)據(jù)，在Arcmap中進行整飾建立圖層集并進行矢量化生成新校區(qū)二維平面圖。

（3）數(shù)據(jù)庫建立：首先利用ArcCatlog建立新校區(qū)地理數(shù)據(jù)庫，并建立要素類、要素。在ArcMap中查看實測的CAD數(shù)據(jù)和將之實地對比，進行適當?shù)木庉嬓薷?。比如道路的圓滑程度，樓房的邊角處的處理。

（4）系統(tǒng)實現(xiàn)的功能：三維顯示、信息顯示、地圖控制顯示、三維場景輸出。

2 校園三維建模

2.1 建模軟件的選取

常見的三維建模軟件有：3DS Max，Maya，CAD等。因CityEngine對GIS數(shù)據(jù)的完美支持，對已有的基礎GIS數(shù)據(jù)不需轉換即可迅速實現(xiàn)三維建模，減少了系統(tǒng)再投資的成本，也縮短了三維GIS系統(tǒng)的建設周期[1]，處理模型與地形的關系以及動態(tài)調整模型的功能十分便利和智能，因而建模過程中選取CityEngine軟件。

2.2 數(shù)據(jù)的采集

2.2.1 地理數(shù)據(jù)的采集

常見的數(shù)據(jù)獲取方式有以下幾種：

低空飛行遙感：特點是在于對地觀測過程中是最廉價、最普遍、最易獲得的平臺。

地圖掃描：對地圖進行數(shù)字化獲得數(shù)據(jù)信息。

直接測量：通過測量獲得數(shù)據(jù)，特點是獲取精度高?，F(xiàn)勢性較強，只是工作量比較大。

遙感測量：特點是范圍大，獲取速度快，但受進度限制。

2.2.2 紋理數(shù)據(jù)采集

地面紋理通過在Google Earth中截圖獲得。房屋、道路，井蓋，自動售水機等小品模型的紋理通過實地拍攝獲得，在photoshop中進行校正，壓縮等處理[3]，供建模貼圖使用。

2.3 模型的建立

（1）在ArcMap中加載CAD數(shù)據(jù)，導出范圍為shapefile文件。

（2）矢量化。對各要素進行編輯，實地觀察對比后進行適當修改，對二維區(qū)域添加行道數(shù)和路燈以及井蓋等獨立點要素。以獲得二維效果圖。

（3）在CityEngine分別創(chuàng)建一個工程文件、一個場景文件和一個CGA規(guī)則文件。

（4）導入數(shù)據(jù)（地理數(shù)據(jù)庫文件.gdb），并設置坐標系。導入成功后效果如圖所示。

（5）拉伸建模

創(chuàng)建建模規(guī)則，如下：

attr groundfloor_height = x //x是地面一樓的高度

attr floor_height = x //x是其他樓層的高度

attr tile_width = x //x是將樓面按塊劃分的寬度

attr height=x //x是樓高

attr wallColor = “#fefefe” //墻面顏色

定義的規(guī)則放在CGA規(guī)則中，在CGA代碼編輯器最前面，這些屬性將顯示在屬性查看器（Inspector）中，可通過屬性查看器修改這些屬性。

（6）構建的窗戶規(guī)則Window_asset = “facades/window.obj”，但是我這里沒有窗戶的obj模型，最后窗戶顯示的是未定義。

（7）對shape使用height中定義的高度進行拉伸，并命名為Building

Lot -->extrude（height）Building

（8）通過應用comp（）-->CGA的一個規(guī)則函數(shù)，將Building分解為多個面，生成了正面（FrontFacade）、多個側面（SideFacade）和一個頂面（Roof）Building-->comp（f）{ front：FrontFacade | side：SideFacade | top：Roof} 如下圖：

（9）分解完成后，對面進行外觀造型。典型的外觀造型流程為：①將面分解為樓層（Floors）。②將樓層分解為塊（Tile）。每一塊通常由墻面和窗口構成。

3 三維數(shù)字校園系統(tǒng)

系統(tǒng)界面分為二維窗口、三維窗口、圖層控制窗口和工具欄4個部分。

三維視圖基本功能除了基本的放大、縮小等功能，還具有如下功能：

（1）場景輸入：用戶在瀏覽三維場景時，如果對某個區(qū)域或建筑感興趣，可通過控件SceneControl的GetScreenShot（）對屏幕進行抓取實現(xiàn)的場景輸出功能，將感興趣的場景輸出[3]。

（2）校園瀏覽：通過該系統(tǒng)，用戶能夠瀏覽校園的全局或者局部景觀，尤其是三維校園景觀，給用戶如同漫步在真實的校園環(huán)境中的感受，系統(tǒng)界面友好，圖像瀏覽暢通?？梢酝ㄟ^Layers工具控制圖層顯示與否。

（3）校園查詢：該系統(tǒng)提供了豐富的查詢功能。例如，你對圖書館感興趣，鼠標點擊圖書館，就可查看到關于圖書館的樓層、樓層高度以及每一層放的書籍類等等信息。

（4）地圖便簽：本系統(tǒng)實現(xiàn)了對定點地物進行標注的想法，便于用戶在指定位置標明自己的建議和看法，增強用戶體驗并能提高管理員的決策管理系統(tǒng)。

4 結論與展望

CityEngine基于規(guī)則的建模方法，能夠充分利用現(xiàn)有的GIS數(shù)據(jù)，將大場景的二維數(shù)據(jù)快遞、批量構建三維模型，減少人工干預，縮短建模周期，對建模效果可以快速有效的調整，且可以充分利用ArcGIS的三維分析功能對生成的模型進行量化分析?；贑ityEngine參數(shù)化建模技術[1]，創(chuàng)建了符合貴州大學實際情況的規(guī)則，實現(xiàn)了校園三維虛擬場景的建立。

參考文獻

[1]張暉，劉超，李妍，等.基于CityEngine 的建筑物三維建模技術研究[J].測繪通報，2014，（11）：108-112.

[2]朱安峰，王海鷹，高金頂.基于CityEngine 的三維數(shù)字校園系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用，2015，24（2）：112-115.

[3]包振虎，劉濤，張志華.基于ArcGIS Engine的三維數(shù)字校園的設計與實現(xiàn)[J].地理信息世界，2013，20（6）：66-71.

[4]祁向前，喬輝.基于CityEngine數(shù)字校園建筑物三維建模研究[J].山西建筑，2016，42（2）：255-257.

（作者單位：貴陽市貴州大學資源與環(huán)境工程學院地信141班）